Eine Einleitung zur Wärmebehandlung von metallischen Legierungen

Die Wärmebehandlung ist eine Kombination von Erwärmungs- und Abkühlungsvorgängen, die auf Metalle und Legierungen in festem Zustand angewendet werden, um erwünschte Zustände oder Eigenschaften zu erzielen.

Die Wärmebehandlung dient dazu, Gussmetall-Legierungen zu homogenisieren, um deren Warmverformbarkeit zu verbessern, Metalle vor und während der Kalt- und Warmverarbeitung zu erweichen oder deren Mikrostruktur so zu verändern, dass sie die erwünschten mechanischen Eigenschaften annehmen.

Mit der Wärmebehandlung von metallischen Legierungen lässt sich zudem die Oberflächenchemie eines Werkstoffs verändern. Das geschieht durch Diffusion von Kohlenstoff, Stickstoff oder anderen gasförmigen bzw. festen Elementen in die Randschicht des Werkstücks. Diese Verfahren ergeben spezifische Oberflächenhärten und verbessern die Verschleiß-, Korrosions- und Ermüdungsfestigkeit des Materials.

Folgende Parameter und Prozesse können sich auf die Komposition und Materialeigenschaften von Metallkomponenten auswirken:

Legierungsart
Erwärmung
Abkühlung
Arbeitseinsatz
Zeit
Atmosphäre
Oberflächenbeschichtung
Oberflächendiffusion

Um zu gewährleisten, dass ein Metallwerkstück für den beabsichtigten Zweck geeignet und angemessen ist, muss es unter Umständen eine Reihe ausgewählter Behandlungen zur Konditionierung und Oberflächenveredelung durchlaufen. Die Behandlungen werden so durchgeführt, dass gewährleistet wird, dass die erforderliche Kombination dieser Parameter sorgfältig geregelt wird, um die gewünschten fertigen Komponenten zu erreichen.

Bei der Wärmebehandlung von Metallen wird die Temperatur einer Legierung auf einen bestimmten Wert angehoben, oft nach einem vorgeschriebenen Temperaturprofil. Das Material wird dann für einen gewissen Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten und anschließend auf eine feste Temperatur abgekühlt – gewöhnlich mit einer genau geregelten Geschwindigkeit oder durch ein Abschreckverfahren.

Die Wärmebehandlung erfolgt in Öfen, deren Prozessatmosphäre neben Temperaturwechseln auch durch den gezielten Einsatz von Gas geregelt wird. Ziel ist, die Oxidierung des behandelten Werkstücks zu reduzieren oder durch eine angereicherte Atmosphäre spezifische oberflächenchemische Wirkungen zu erzielen.

Wärmebehandlungen lassen sich nach ihrem Zweck klassifizieren:

Allgemeine Behandlungen

Homogenisieren

Diese Behandlung dient vor allem zum Abgleichen der Temperatur in der Legierung vor der Warmverarbeitung oder zur Reduzierung von übermäßiger Kristallisierung, die durch ungleichmäßige chemische Zusammensetzung hervorgerufen wird.

Glühen

Ein Oberbegriff für verschiedene erweichende Wärmebehandlungen, die eine Legierung weich machen, deren Duktilität erhöhen und damit die Kaltverarbeitung erleichtern.

Entspannungsglühen

Wärmebehandlungen zum Abbau von Spannungen in geschweißten, gegossenen oder schnelle abgekühlten Bauteilen.

Verfahren, die die Oberflächenchemie einer Legierung verändern

Aufkohlen, Nitrieren, Carbonitrieren und Nitrocarburieren

Bei diesen Verfahren werden die Randschichten der Legierung gehärtet und gefestigt, indem das Teil einer mit Kohlenstoff oder Stickstoff angereicherten Gasatmosphäre ausgesetzt wird und vor dem Abschrecken ein erhöhtes Temperaturprofil durchläuft. Ähnliche Komponenteneigenschaften mit anderen Molekularbestandteilen in der Oberfläche lassen sich auch in anderen Verfahren erzielen, wie z.B. Ionenimplantation – Chemical Vapour Deposition (CVD, chemische Gasphasenabscheidung), Physical Vapour Deposition (PVD, physikalische Gasphasenabscheidung), Borieren und Diffusionslegieren und Aluminieren.

Behandlungen, die die Phasenstruktur einer Legierung verändern

Härten

Metallische Legierungen können zwar alle kaltverfestigt werden, doch insbesondere Stahllegierungen lassen sich auch durch Wärmebehandlungen härten. Die Härtbarkeit einer Stahllegierung hängt von deren Kohlenstoffgehalt bzw. dem Gehalt anderer Leichtmetalle ab. Höherprozentige Kohlenstofflegierungen können das Werkstück härter machen.

Die Härtung erfolgt durch Erwärmen einer Legierung auf eine festgelegte Temperatur und anschließendes Abschrecken in Öl, Wasser, Luft oder einem speziellen Polymer-Abschreckungsmittel. Die Temperatur- und Abschreckungsparameter hängen von dem zu verarbeitenden Stahl ab.

Anlassen

Anlassen folgt in der Regel auf den Härtungsprozess und dient dazu, die Sprödigkeit der Legierung zu beseitigen, ohne jedoch die Härte des Werkstücks zu beeinträchtigen.

Um zu verstehen, wie erfolgreich diese Prozesse sein können und bei welchen Temperaturen diese Behandlungen durchgeführt werden sollten, müssen wir das Phasendiagramm der spezifischen Legierung betrachten.

Induktionshärten

Stahl mit mittlerem oder hohem Kohlenstoffgehalt kann auch durch schnelle Erwärmung unter Einsatz einer Induktionsspule, gefolgt von sofortigem Abschrecken in einem Abschreckstrahl, gehärtet werden. Dieser Prozess kann alternativ auch durch Aufwärmtechniken wie Beflammung mit heißen Flammen oder Lasertechnologie durchgeführt werden.

Weitere Spezialverfahren

Heiß-Isostatisches Pressen (HIP)

Dieses Verfahren dient zum Nachverdichten von Gussteilen und vorgesinterten Komponenten sowie zum Diffusionsverbinden von Legierungen. Dies findet gewöhnlich bei sehr hohen Temperaturen und Druck in einem speziellen Behälter statt.

Sintern

Viele Produkte mit komplexen Querschnittsformen werden aus Pulvermaterial hergestellt, das durch Pressen oder plastische Formgebung die gewünschte Geometrie erhält. Das Sintern findet in einer atmosphärengeregelten Umgebung in einem zeitgeregelten Temperaturzyklus statt und stärkt den Zusammenhalt der gepressten Teile.